Más de uno lo habrá preguntado y habrá recibido respuestas del tipo “AM es onda media y FM es frecuencia modulada” con lo cual es probable que se quedase igual.

Si es tu caso y quieres saber qué es una modulación cuando hablamos de este tipo de cosas, sigue leyendo.

Radio antigua. Crédito: Gregory F. Maxwell/Wikipedia

Para entender qué es una modulación tenemos que hablar de señales y utilizaremos también conceptos como frecuencia, que expliqué en el artículo sobre las antenas.

En una modulación intervienen dos señales: portadora y moduladora. La moduladora es la señal que tiene el mensaje que queremos enviar, es la información. La portadora es una señal que nos va a ayudar a enviar nuestra información y es típicamente una señal de mayor frecuencia que la moduladora.

La señal moduladora normalmente es una señal de baja frecuencia, por ejemplo la señal que produce un micrófono al recoger sonido. Estas señales se dice que se encuentran en banda base.

Así pues, el objetivo principal de la portadora es aumentar la frecuencia de la señal. Digamos que la señal moduladora va andando a los sitios y lo que hacemos es subirla en un autobús. La analogía es buena, ya que al movernos en una frecuencia superior también podemos juntar más fácilmente distintas señales: podemos meter más de una persona en el autobús. Es lo que en telecomunicaciones se llama multiplexar señales.

No sólo eso, sino que las señales eléctricas a baja frecuencia tienen problemas para propagarse. De ahí, por ejemplo, que haya un límite a la longitud de los cables USB. Como norma general a mayor frecuencia más facilidades para propagarse (evidentemente todo tiene un límite, depende también del medio sobre el que se propague, etc). Otro motivo para que sea algo muy habitual modular las señales.

Pero me estoy alejando del propósito fundamental del artículo: las modulaciones. Volviendo a nuestras dos señales, la portadora normalmente es un tono que vamos a modificar siguiendo el patrón que marca la moduladora de tal manera que cuando recibamos la señal modulada (portadora+moduladora) podamos deshacernos de la portadora y quedarnos sólo con la moduladora.

Al principio hacía referencia a AM y FM, dos modulaciones conocidas por llevar mucho tiempo con nosotros al ser empleadas en la radio. Ojo, no se emplean únicamente en la radio, tienen muchas aplicaciones (sin ir más lejos la televisión analógica se transmite mediante FM). AM significa Amplitude Modulation (Modulación en Amplitud) y FM Frequency Modulation (Modulación en Frecuencia). Veamos en un gráfico cómo funcionan:

Animación de AM y FM. Crédito: Wikipedia.

La primera señal del gráfico es la moduladora, la información. Es una pena que no se muestre la portadora, que sería también un tono sólo que de mayor frecuencia (aquí un gráfico muy bueno para AM y aquí uno para FM). Lo que se aprecia muy bien es la diferencia entre AM y FM. En AM cuando la moduladora tiene un valor alto, la amplitud de la señal es máxima, y cuando tiene un valor bajo la amplitud es mínima. Se intuye una envolvente que sería la moduladora, y de hecho es así como se “descifra” (demodula) la información en AM, mediante un detector de envolvente.

Asímismo podemos ver que en FM lo que cambia es la frecuencia de la portadora, como si fuese un muelle que se estira o se encoge según la señal portadora tiene un máximo o un mínimo.

¿Cuáles son las diferencias entre ambas y por qué usamos las dos? La mayor diferencia práctica entre ambas es el ruido. Si sois aficionados a escuchar la radio habréis comprobado que en general se escuchan mucho mejor las cadenas en FM que en AM y el motivo fundamental es el ruido. Cuando transmitimos señales se nos va a colar ruido siempre, más o menos dependiendo de lo bien que lo hagamos, de lo bien que estemos recibiendo la señal, etc. Y el ruido se suma a la señal:

Introductory Overview of Electrical Instrumentation. Crédito: Darryl  Morrell

En el gráfico vemos perfectamente una señal sin ruido y la misma con el ruido. Si estamos utilizando AM es evidente que el ruido va a ser un problema grave, ya que afecta a la amplitud directamente, que es donde tenemos la información. En FM en cambio el ruido influye menos ya que lo que vamos a medir son los cambios de frecuencia. Entonces, ¿por qué seguir utilizando AM? Porque es barata, así de fácil. Demodular una señal en AM es muy sencillo y muy barato. Los moduladores y demoduladores de FM son bastante más caros y complejos en comparación.

Alguno se preguntará a qué viene lo de onda media que decía al principio respecto a la radio AM. No tiene nada que ver con la modulación, es simplemente otra forma de llamar a la banda de frecuencias en la que se transmite normalmente la radio modulada en amplitud.

De todas formas las modulaciones no se quedan en AM y FM, ni mucho menos. Para empezar no he hablado de una de las distinciones básicas entre modulaciones: analógica y digital. La primera abarca casos como el de AM y FM, en los que la señal original es analógica y la final también. En el caso de la modulación digital la señal de la que partimos es digital y se convierte a una señal analógica para su transmisión.

También es posible combinar distintos tipos de modulaciones, por ejemplo modulando una señal digital a analógica y luego ésta en frecuencia.

Los distintos conceptos que hemos ido viendo se aplican a todas las modulaciones y lo único que varía es cómo modificamos la señal portadora para codificar la información. AM y FM son los ejemplos más sencillos y fáciles de ver, y por ello dos modulaciones muy utilizadas a pesar de ser ambas analógicas.

Quizá otro día haga una entrada sobre modulaciones digitales, que (aviso) son más complicadas.

Parecen tremendamente diferentes unas de otras. Al fin y al cabo, ¿qué parecido tiene la antena de Arecibo con la del móvil?

Antena de Tv. Crédito: Enoch Lau/Wikipedia

El fundamento de una antena es, en el fondo, bastante sencillo: se trata de un conductor por el que circula una corriente. Las explicaciones detalladas suponen entrar en electromagnetismo, lo cual es una serie en sí mismo con la que probablemente nos deleite Pedro un día de estos.

Hablemos pues de cómo funciona una antena. Hemos dicho que se trata de un conductor y una corriente. Para que la antena emita, la corriente debe variar con el tiempo (corriente alterna, como la del enchufe de las casas). Una de las propiedades fundamentales de las antenas es que son recíprocas: es decir, la antena es la misma para emitir que para recibir, sus propiedades son las mismas. Explicándolo un poco más en detalle, cuando una corriente variante en el tiempo circula por un conductor éste emite radiación, radia una onda proporcional a la variación de la corriente. Igualmente, cuando sobre un conductor incide una onda electromagnética provoca una variación de corriente.

Un ejemplo muy sencillo es el de las radios portátiles o la radio en la mayoría de los móviles actuales. En la mayoría de los casos es necesario tener puestos los auriculares para que funcione, ya que el propio cable de los cascos está haciendo de antena.

Ante esta explicación a alguno le vendrá a la cabeza una pregunta: “Si eso es así, ¿no deberían estar emitiendo radiación todos los cables de mi casa?” Ciertamente, sí. Todo conductor es una antena: si lleva corriente alterna emitirá y si no, sólo recibirá.

Evidentemente, un conductor que esté emitiendo (circulando una corriente por él) también recibirá, lo cual lleva a un problema típico a la hora de utilizar antenas y es que hay que tener cuidado de que las posibles señales que se reciban no alteren a las que se emiten y viceversa. En general, la corriente que circule por el conductor la habremos provocado con la intención de enviar un mensaje, con lo cual solemos hablar de señales. Hay veces que tendremos corrientes sin sentido (como podría ser la del cable de la aspiradora) y en ese caso hablamos de ruido.

Entonces, ¿por qué son tan diferentes unas antenas de otras? Para explicarlo hay que introducir el concepto de frecuencia y el de longitud de onda. La frecuencia es una medida de cómo de rápido varía una oscilación. En nuestro caso, cómo de rápido varía la corriente en el conductor. Las unidades de frecuencia son los Hercios (Hz) o, lo que es lo mismo, ciclos por segundo. Así, si tenemos una señal con una frecuencia de 100 Hz significa que en un segundo cambia 100 veces. Las únicas señales a las que se les puede decir que tienen frecuencia son aquellas que son periódicas, es decir, se repiten en el tiempo. La frecuencia mide cuándo vuelve a repetirse la señal. Un ejemplo tonto: un semáforo. Es periódico porque cada cierto rato se repite el patrón de luces: verde, amarillo, rojo. La frecuencia es cada cuánto se repite.

El otro concepto es el de longitud de onda, que está intrínsecamente relacionado con el de frecuencia. De hecho, son casi lo mismo, ya que los diferencia una constante.

Para hacernos una idea imaginemos ondas en un lago: tiramos una piedra y se forman círculos en el agua (ondas). La longitud de onda es la distancia entre dos crestas y por lo tanto se mide en metros.

Ondas de diferentes frecuencias. Crédito: Wikipedia.

En el gráfico vemos claramente cómo la frecuencia y la longitud de onda están relacionadas: cuanto más rápido cambia, menor es la distancia entre crestas.

¿Por qué es todo esto importante? Porque con las antenas lo que transmitimos son ondas electromagnéticas:

Espectro electromagnético. Crédito: Wikipedia.

Como se ve en el gráfico, las ondas electromagnéticas abarcan un rango de frecuencias enormes. Bien, ¿y qué tiene que ver esto con las antenas? Muy sencillo. Para que una antena emita una señal en una frecuencia dada, ha de tener un tamaño proporcional a la longitud de onda asociada a esa frecuencia. Evidentemente, dado que son recíprocas, para recibir necesitarás la misma antena. Asímismo, la señal que circule por la antena emisora deberá tener dicha frecuencia.

Por eso para un móvil, que trabaja sobre los 1.8 GHz, necesitamos una antena pequeña, ya que la longitud de onda sobre la que trabajamos es de centímetros. En cambio para la radio estamos trabajando con frecuencias mucho más bajas. FM se mueve sobre los 100 MHz, lo cual nos da longitudes de onda de unos 3 metros.

Otro ejemplo: la corriente alterna de las casas funciona a 50 Hz (en EEUU 60 Hz), lo cual supone longitudes de onda de 6000 kilómetros (de ahí que los cables de la casa no anden interfiriendo constantemente).

Alguno quizá se pregunte ¿y las parabólicas qué? Al fin y al cabo tienen un “plato” que no siempre es un conductor. En el caso de las parabólicas la antena en sí está en el centro en un soporte, ya que el “plato” es en realidad un reflector. Su misión no es otra que hacer que la señal llegue mejor a la antena, como quien se pone la mano en la oreja para oir mejor. (Gráfico)

En el caso de Arecibo, que mencionaba al principio, casi toda la estructura es el reflector para mejorar la recepción de la señal. Al fin y al cabo la onda se emite desde un punto y luego se dispersa. Al igual que cuando tiras una piedra al lago las ondas se van extendiendo, con las señales que emitimos pasa lo mismo, así que para recibir bien una señal del espacio necesitamos reflectores enormes que consigan captar estas señales tan dispersas.

Creo que por ahora ya me he extendido bastante. Si a la gente le interesa se pueden ver más cosas de antenas, que al fin y al cabo esto no es más que un esbozo.

(Las modulaciones las explico en un artículo posterior: enlace.)